一种高空作业平台臂架加强板的优化设计

2022-03-24郑继平孙荣武李春蓉

机械管理开发 2022年1期

郑继平，孙荣武，李春蓉

（湖南星邦智能装备股份有限公司，湖南长沙 410600）

引言

随着我们国家城市化的发展，人力成本大幅提升，高空作业平台也随之得到快速发展[1]。国内有很多专业人士对高空作业平台进行研究。李大涛、韩卫敏、李宁等对高空作业平台伸缩臂进行过疲劳分析[2]，高旭宏、周雪巍、徐向阳等对高空作业平台臂架进行过研究[3]。这些研究仅限于结构整体和部件的计算，对于基本臂上盖板加强板优化的问题鲜有报道。

1 一种直臂式机构

直臂式机构如图1 所示。基本臂与第一伸缩臂之间通过伸缩油缸连接实现臂架的伸缩，伸缩油缸缸筒的末端安装滑轮，通过钢丝绳和滑轮实现第二伸缩臂的伸缩。基本臂内腔壁头部安装滑块，第一伸缩臂内腔壁前部和外表面尾部安装滑块，第二伸缩臂外表面尾部安装滑块。第一伸缩臂与基本臂，第二伸缩臂与第一伸缩臂之间通过滑块接触。基本臂与转台之间通过三角支架、连杆、下调平油缸、折臂、油缸支撑臂、变幅油缸进行连接。各铰点之间可转动。

图1 一种直臂式机构

2 基本臂的分析

2.1 材料定义

臂架板金材料为70 钢，伸缩油缸材料为Q345。

2.2 计算模型离散化

基本臂板材部分采用壳单元，滑块采用实体单元，伸缩油缸采用实体单元。其余结构设置为刚体。采用坐标系为：总体笛卡尔坐标系。对网格质量的各项指标进行检查，网格质量Element Quality（这是个综合指标，值越大，网格质量越好）平均值为0.88；网格偏斜Skewness（代表网格偏斜程度，值越小，网格质量越好）平均值为0.16；雅克比Jacobian Ratio（值在0～1 之间，越接近1，网格质量越好）平均值为0.92。网格质量的各项指标都非常好。

2.3 载荷边界条件

油缸支撑臂、折臂、连杆与转台（大地）通过转动副连接，其余旋转部分采用转动副连接，伸缩油缸杆与伸缩油缸筒之间移动副连接第二伸缩臂与第一伸缩臂移动副连接。基本臂与第一伸缩臂的滑块之间摩擦接触。第一伸缩臂与基本臂滑块摩擦接触。摩擦系数0.15。载荷为3 000 N。操作力400 N。

2.4 有限元分析

2.4.1 瞬态动力学计算

根据动力学基本方程：

式中：[M]为质量矩阵；{u}为节点位移列阵；{u˙}为节点速度列阵；{u¨}为节点加速度列阵；[F（t）]为载荷矩阵。

直接积分法，结合以上方程可以求出各节点的位移及各单元应力等。

采用第四强度理论进行校核，米塞斯等效应力（Von-Mises）即σeqv应满足以下条件：

式中：σeqv为等效应力；σ1、σ2、σ3分别为第1、2、3 主应力；[σ]为许用应力强度。

2.4.2 接触计算

由于基本臂为壳单元，油缸连接座与滑块为实体单元，壳单元的节点自由度为6，实体单元节点自由度为3，因此实现绑定接触时，存在节点自由度不匹配的问题。为了实现壳单元与实体单元的耦合，在接触算法中采用MPC 算法。

2.4.3 Design Xplorer（设计探索）方法

Design Xplorer（设计探索）是一种功能强大、方便易用的多目标和稳健性设计方法，有助于设计者在产品设计阶段掌握不确定因素对产品性能的影响。在臂架设计中对基本臂加强板的尺寸优化采用Design Xplorer 中试验优化设计方法，在设计样本中筛选出最优解[4]。

3 臂架的计算与优化设计

3.1 原臂架的分析

对基本臂水平姿态下延伸时进行瞬态分析，随着伸缩臂的伸长，基本臂应力随伸缩臂的伸长而变化。当第一伸缩臂将进入加强板之前的某个位置时，最大应力为483.63 MPa, 最大应力区域在加强板与臂架上盖板焊接部位，滑块头部刚刚进入加强板覆盖区。当滑块全部进入加强板覆盖区，应力减小。由计算可知基本臂应力最大的姿态不是伸缩臂伸到水平幅度最大的位置。而是在第一伸缩臂滑块刚刚进入加强板覆盖区域时刻的位置。采用一般的静力学分析就会遗漏最危险的应力点。

3.2 对基本臂上盖板加强板进行优化设计

3.2.1 加强板后部位置的设计计算

提取基本臂上盖板应力为303.5 MPa 的时刻位置。在基本臂变幅油缸座上方的上盖板上。并将架强板后部延伸至该位置，进行瞬态分析。计算得出基本臂上盖板应力随臂架的延伸而变大，最大值发生在第一伸缩臂后滑块头部刚进入加强板的时刻，为281.91 MPa。当滑块完全进入加强板区域以后上盖板应力先减小，然后缓慢上升至279.79 MPa。基本臂上盖板强度满足。

3.2.2 加强板前端位置的设计

直臂式高空作业平台工作时，伸缩臂随着臂架仰角的增加而伸长。当臂架仰角为48°时，延伸臂伸至油缸全行程。臂架仰角继续增大至73°时伸缩臂不再伸长。须对基本臂上盖板的加强板进行优化，计算加强板离基本臂前端的距离L1。以L1和臂架上盖板应力的最大值为参数进行优化设计，如图2 所示。对L1取6 组样本1 300 mm、1 400 mm、1 450 mm、1 500 mm、1 550 mm、1 600 mm进行试验优化，求出上盖板应力在300 MPa 左右的L1值。经过参数化设计得出当L1的值为1 450 mm 时基本臂上盖板的应力306.88 MPa，基本臂强度满足要求。